在国家自然科学基金等项目资助下，广东省科学院生态环境与土壤研究所科研团队研究揭示了水稻根表铁膜氧空位的双重作用机制。相关成果近日发表于《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）。
水稻铁膜氧空位在调控界面氧活化及砷氧化固定的机制示意图。研究团队供图
根表铁膜是水稻根系抵抗环境中污染物（如砷）侵扰的重要屏障。铁膜对砷的氧化和固定活性直接影响水稻对砷的富集量及食品安全。然而，关于铁膜表面结构特性，特别是氧空位等结构缺陷如何影响界面氧气活化及污染物固存性能的机制尚不清楚，限制了我们对水稻根系界面活性氧产生及砷迁移转化动态的理解。
针对上述科学问题，研究团队结合荧光活体成像、非损伤微测电极、原子力显微镜等手段系统阐明了水稻铁膜的氧空位通过增强分子氧活化和提高砷结合亲和力的双重机制，显著提升砷的氧化固存效率。团队通过在铁膜晶格中引入微量铜原子，成功增加了氧空位的密度，并在进行体外模拟和活体水稻实验后发现，这种高密度的氧空位通过增强根系泌氧并促进Fe(II)在铁膜界面的电子转移效率，显著促进了铁膜表面的氧气活化，从而生成了更多的胞外活性氧物种。
团队进一步利用基于原子力显微镜的动力学力谱，在单分子尺度上揭示了氧空位密度的增加显著提升了砷与铁膜的结合能，提高了铁膜表面对砷的吸附亲和力和氧化效率。氧空位通过该机制诱导砷在铁膜的固持，从而有效降低砷在水稻植株的积累。这一发现揭示了水稻根表铁膜的表面缺陷结构在污染物固存中的关键作用。
论文通讯作者、广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员方利平指出，该研究为理解铁膜的形成与转化及其对砷的固存提供了科学依据和理论基础，有助于厘清水稻根际圈砷的长期循环与风险管控。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c11257
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